Mass spectrometric identification of a PSI-LHCI-cytochrome b6f complex in both Arabidopsis stn7 and pph1

식물은 적응의 명수이며, 빛의 질이 하루 동안 변화함에 따라 햇빛을 효율적으로 포착하기 위해 내부 기계 장치를 끊임없이 조정합니다. 이를 위해 식물은 세포막에 박혀 있는 태양광 패널과 같은 역할을 하는 두 개의 거대한 분자 기계인 광계(photosystems)에 의존합니다. 빛이 변할 때, 식물은 에너지 흐름의 균형을 유지하기 위해 이 두 기계 사이에서 에너지 수확 안테나를 재분배해야 합니다. '상태 전이(state transition)'라고 알려진 이 과정은 특정 단백질 세트가 한 기계에서 떨어져 나와 다른 기계에 부착되는 과정을 포함합니다. 수십 년 동안 과학자들은 인산기(phosphate group)라는 화학적 표지가 이 안테나가 언제 이동해야 하는지를 알려주는 스위치 역할을 한다는 점을 이해해 왔습니다. 그러나 이 이동 중에 형성되는 일시적인 가교(bridge)의 정확한 물리적 구조는, 이 연결 부위가 매우 취약하고 분해하지 않고는 분리하기 어렵다는 이유로 오랫동안 밝혀지지 않은 채 남아 있었습니다.

한 연구팀은 흔한 애기장대(thale cress)의 두 가지 돌연변이 품종을 사용하여 이러한 찰나의 연결 구조를 포착하고자 했습니다. 한 돌연변이는 인산 표지를 붙이는 효소가 결핍되어 있고, 다른 하나는 인산 표지를 제거하는 효소가 결핍되어 있습니다. 과학자들은 이 식물들을 특정 광조건 하에서 배양함으로써, 이동성 안테나가 원래 위치에 고정되어 있거나 잘못된 기계에 영구적으로 부착되도록 하여 이 과정을 효과적으로 동결시켰습니다. 그 후, 단백질 복합체의 형태를 보존하는 부드러운 세제를 사용하여 식물의 막을 용해함으로써, 세포 내에 존재하던 상태 그대로의 온전한 구조를 연구할 수 있었습니다.

연구진은 이 거대한 분자 조립체들을 분리하기 위해 정교한 2단계 분류 과정을 채택했습니다. 먼저, 얇은 액체 막을 통해 떠다니는 단백질 복합체의 전기적 전하를 기준으로 분리하는 자유 흐림 전기영동(free-flow electrophoresis) 기술을 사용했습니다. 이 단계는 두 돌연변이 식물 속의 복합체들이 서로 다른 전기적 신호를 가짐을 보여주었으며, 이는 인산 표지의 존재 여부가 단백질의 거동을 변화시킨다는 것을 확인해주었습니다. 그러나 이 방법만으로는 어떤 단백질이 물리적으로 서로 접촉하고 있는지 정확히 알 수 없었습니다. 이를 해결하기 위해, 연구진은 분리된 분획물을 가져와 분자의 크기에 따라 분류하는 더 전통적인 젤 분리법을 실행했습니다. 이 2차원적 접근 방식 덕분에 단일 단계로는 명확히 볼 수 없었던 혼합된 단백질 복합체 밴드들을 분리해낼 수 있었습니다.

분자 조각의 무게를 통해 단백질을 식별하는 방법인 질량 분석법(mass spectrometry)으로 이 격리된 밴드들을 분석함으로써, 연구팀은 중요한 발견을 했습니다. 두 돌연변이 식물 모두에서 약 720 킬로달톤(kilodaltons) 무게의 크고 안정적인 복합체가 발견되었는데, 이는 광계 I(photosystem I) 기계, 그와 연관된 안테나, 그리고 시토크롬 b6f(cytochrome b6f) 복합체로 구성되어 있었습니다. 이 발견은 이 세 가지 별개의 분자 기계가 하나의 슈퍼 복합체를 형성하기 위해 물리적으로 연결될 수 있음을 확인해주었으며, 이는 이 특정 조합에서 이미 추측되었으나 확정적으로 증명되지는 않았던 사실입니다.

또한 이 연구는 약 753 킬로달톤의 약간 더 큰 두 번째 복합체를 밝혀냈는데, 이는 인산 표지를 제거할 수 없는 돌연변이 식물에서만 나타났습니다. 이 더 큰 구조는 동일한 광계 I 및 시토크롬 b6f 성분을 포함하고 있었지만, 인산 표지가 영구적으로 붙은 이동성 안테나 단백질도 포함하고 있었습니다. 이 안테나들이 더 큰 복합체에 포함되어 있다는 점은 왜 이 복합체의 무게가 더 무겁고 전기장 내에서 다르게 움직였는지를 설명해 주었습니다. 결정적으로, 연구진은 이동성 안테나가 720 킬로달톤의 작은 복합체에는 존재하지 않는다는 것을 발견했으며, 이를 통해 인산 표지가 이 안테나들을 광계로 불러들이는 구체적인 신호임을 입증했습니다.

이 연구는 이동성 안테나가 단순히 자유롭게 떠다니는 것이 아니라, 더 크고 무거운 단위를 형성하기 위해 광계에 직접 결합한다는 것을 보여줌으로써 상태 전이의 물리적 본질을 명확히 합니다. 연구진은 두 복합체 사이의 크기 차이가 전체 안테나 삼량체(trimer)의 질량보다 작다는 점에 주목하며, 이 거대한 분자들이 젤을 통과해 이동하는 방식은 총 무게보다는 그 형태와 젤의 기공을 통과하는 방식에 더 의존함을 언급했습니다. 전하 분리와 크기 분리를 정밀한 단백질 식별과 결합함으로써, 연구팀은 이 분자 기계들이 어떻게 조립되고 상호작용하는지에 대한 구체적인 지도를 제공하였고, 변화하는 세상 속에서 식물이 어떻게 에너지 섭취를 관리하는지에 대한 더 명확한 이해를 도왔습니다.